隧道工程-围岩分级.ppt

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1、第4章 隧道围岩分级与围岩压力,学习本章的目的：（1）要求掌握有关隧道的勘查、设计、构造原理和有关计算方法；（2）理解隧道围岩稳定性的影响因素及其与施工方法的关系；（3）了解隧道围岩分级时考虑的因素。,第4章 隧道围岩分级与围岩压力,4.1 隧道围岩的概念与工程性质4.2 围岩的稳定性4.3 围岩分级4.4 围岩压力的确定,第4章 隧道围岩分级与围岩压力 Surrounding rock classification and pressure,第4章 隧道围岩分级与围岩压力,4.1 隧道围岩的概念与工程性质,围岩的概念围岩:隧道开挖后对其稳定性产生影响的那部分岩(土)体。说明：围岩既指岩体也指

2、土体。,围岩的工程性质 物理工程性质 水理 力学,第4章 隧道围岩分级与围岩压力,岩石与岩体的区别：岩石：均质、连续、各向同性 岩体：非均质、不连续、各向异性岩体力学性质获取的方式：现场试验：真实、费时、费钱 室内试验：不易取样、代表性差问题：1.结构计算与力学性质的关系？2.隧道结构计算的难点？,1、岩体的变形特性 受拉、受压、剪切、流变 问题：岩体能受拉吗？1)受压变形 岩石：线性、弹性 软弱结构面：非线性、塑性 岩体：弹塑性体，见下图。,第4章 隧道围岩分级与围岩压力,图4-1 典型岩体全应力应变曲线,第4章 隧道围岩分级与围岩压力,岩体：压密阶段(OA)弹性阶段(AB)塑性阶段(BC)

3、破裂和破坏阶段(CD),2)剪切变形(1)沿结构面滑动(2)岩石的断裂(3)在结构面的影响下沿岩石剪断,第4章 隧道围岩分级与围岩压力,3)流变特性 蠕变：指应力不变，而应变随时间增长。松弛：应变不变，而应力随时间而衰减 问题：围岩流变特性对隧道的影响？,图4-2 岩体的流变,第4章 隧道围岩分级与围岩压力,2、岩体强度 岩石强度：通过试件获得。岩体强度：低于岩石强度，约为岩石强度的7080。,第4章 隧道围岩分级与围岩压力,4.2 围岩的稳定性,第4章 隧道围岩分级与围岩压力,4.2.1 研究围岩稳定性的意义围岩的稳定性：隧道开挖后，在不支护条件下围岩的稳定性。问题：什么是隧道工程的头等大事

4、？研究围岩的稳定性，如何促使围岩稳定。,围岩级别的工程作用：判断围岩稳定性。判断施工难易程度，投资依据。结构分析计算的依据,第4章 隧道围岩分级与围岩压力,地质因素客观因素人为因素主观因素、工程因素,第4章 隧道围岩分级与围岩压力,4.2.2 影响围岩稳定性的因素,1、地质因素 从5个方面来分析：岩体结构特征 结构面性质和空间的组合 岩石的力学性质 地下水的影响 围岩的初始应力状态,第4章 隧道围岩分级与围岩压力,岩体结构特征指岩体的破碎程度或完整状态。破碎程度：裂隙率、裂隙间距。裂隙是广义的：包括层理、节理、断裂及夹层等结构面。完整状态：整块状、大块状等。按这2个指标有下图：,第4章 隧道围

5、岩分级与围岩压力,结构面性质和空间组合 性质 1)结构面的成因；2)结构面的光滑程度；3)结构面的物质组成；4)结构面的规模；5)结构面的密集度。空间组合 指结构面的相互位置状态。问题：软弱结构面有怎样的害处？什么是不利空间组合？,第4章 隧道围岩分级与围岩压力,张家界图,节理较发育,岩石的力学性质 主要指岩石的单轴饱和极限抗压强度Rb。岩石强度越高，隧道越稳定。,第4章 隧道围岩分级与围岩压力,(4)围岩的初应力状态 初始应力是隧道围岩变形、破坏的根本作用力。已初步将初始应力考虑进围岩分级之中。在高的初始应力场条件下，围岩级别应适当降低。,第4章 隧道围岩分级与围岩压力,地下水的影响 软化围

6、岩；减少层间摩阻力促使岩块滑动；具膨胀性的围岩，遇水后产生膨胀等。,第4章 隧道围岩分级与围岩压力,2、人为因素 隧道形状和尺寸 支护结构类型 施工方法,第4章 隧道围岩分级与围岩压力,超挖,4.3 围岩分级,4.3.1 概 述 围岩分级：根据岩体的若干指标，按照稳定性将围岩分成不同的级别。工程目的：（1）结构设计依据（2）施工方法依据（3）工程造价依据,第4章 隧道围岩分级与围岩压力,围岩分级的发展过程：,土石分类法,单一因素分类法,综合物性分类法,第4章 隧道围岩分级与围岩压力,其它分级法：,第4章 隧道围岩分级与围岩压力,组合多因素分类法,与地质勘探手段相联系的分类法,总结：早期仅岩石强

7、度；现在综合多种因素，如岩体构造、岩石强度、RQD指标等。,围岩分级方法 3个基本因素：岩性：抗压强度、弹性模量、弹性波速等。地质构造：岩体完整性或结构状态。地下水：地下水发育时，围岩级别应降低。1个附加因素：初始地应力：适当考虑。,第4章 隧道围岩分级与围岩压力,（一）以岩石强度或岩石的物性指标为代表的分级法 1.以岩石强度为基础的分级法 代表：土石分类法坚石、次坚石、松石、土。2.以岩石物性指标为基础的分级法 代表：岩石坚固性系数(f值)分级法普氏法 f值：一个综合的物性指标值，如岩石的抗钻性、抗爆性、强度等。但核心还是岩石强度。,第4章 隧道围岩分级与围岩压力,(二)以岩体构造、岩性特征

8、为代表的分级方法 代表：泰沙基法考虑围岩的完整状态和岩性，共9级。我国交通隧道围岩分级法借鉴了泰沙基法，考虑岩体综合物性，共6级。,第4章 隧道围岩分级与围岩压力,（三）与地质勘探手段相联系的分级方法 代表：弹性波速分级法波速是反映岩性与岩体结构的一项综合指标，波速越高，围岩越好。,第4章 隧道围岩分级与围岩压力,岩石质量指标RQD指标也是反映岩性与岩体结构的一项综合指标。RQD指标的具体含义为岩芯复原率:,第4章 隧道围岩分级与围岩压力,表中R为RQD指标。,(四)组合多种因素的分级方法 代表：岩体质量分级法 巴顿等人提出的“岩体质量Q”分级法。表达如下：,第4章 隧道围岩分级与围岩压力,组

9、合了6个参数：岩石质量指标、节理组数目、节理粗糙度、节理蚀变值、节理含水折减系数、应力折减系数。,(五)我国铁路与公路隧道的围岩分级方法1.铁路隧道 沿革 岩体综合分类60年代，成昆线，五类。隧道围岩分类74年版，首部铁路隧道规范，六类。隧道围岩分类86年版，加入围岩弹性波速指标。隧道围岩分级99年版，采用国标分级排序，改称“围岩分级”，六级。隧道围岩分级2001年版，不变。隧道围岩分级2005年版，不变。,第4章 隧道围岩分级与围岩压力,分级的理论基础 以围岩的稳定性判断为基础。属于“以岩体构造和岩性特征为代表”的分级方法。主要考虑4种因素：岩石坚硬程度 围岩完整状态 地下水 围岩初始地应力

10、,第4章 隧道围岩分级与围岩压力,基本分级,修正基本分级,基本分级 修正基本分级 最终分级,基本分级 依据：围岩主要工程地质条件，由两条组成：岩石坚硬程度 软硬岩分界指标：30Mpa Rb30 硬岩 5 Rb30 软岩 Rb 5 极软岩围岩完整程度 指标1：结构面发育程度 指标2：地质构造影响程度 由此两指标，将岩体完整程度分为5个级别，见下表：,第4章 隧道围岩分级与围岩压力,岩体完整程度的划分,围岩受地质构造影响程度等级划分 围岩节理（裂隙）发育程度划分,(4)铁路隧道围岩分级表 基本分级+围岩弹性纵波速度=铁路隧道围岩分级表 见教材P82-83。,特点 给出了单线隧道围岩开挖后的稳定状态

11、。尚未考虑地下水和地应力。,修正分级 地下水地下水的3种处理方法：分级时按无水考虑，而是根据地下水的状态，适当降低围岩等级(12级)；分级时按有水考虑，当确认围岩无水则提高围岩等级；直接将地下水状况(水质、水量、流通条件、静水压力等)作为一个分级指标。,铁路隧道分级按第1种方法处理：,地下水影响的修正,地下水状态的分级表,初始地应力,初始地应力影响的修正,两点说明：设计阶段：采用修正后的围岩分级。施工阶段：根据实际情况，进一步判定围岩分级，依据仍然是：岩石坚硬程度 围岩完整状态 地下水 初始地应力,2.公路隧道,初步分级相当于铁路的基本分级 依据：围岩主要定性特征 该特征由两个基本因素组成：岩

12、石坚硬程度Rc(即强度)岩体完整性Kv(即弹性波速)推出围岩基本质量指标 BQ=90+3Rc+250Kv,详细分级相当于铁路的修正分级,修正BQ值：当有以下3方面影响时，应予修正：地下水K1 软弱结构面(比铁路多此条)K2 高初始地应力K3 BQ=修正BQ值=BQ-100(K1+K2+K3)K1K3各值可查公路隧道规范附录A.0.2-3,公路围岩分级表：,参数：围岩主要定性特征 BQ值，或BQ值(当需要修正时),第4章 隧道围岩分级与围岩压力,(六)问题及研究方向 1.问题 指标定性的多、定量的少。如何做到准确、方便、好用？2.研究 发展物探手段，增加定量指标。发展分析理论 模糊数学围岩分级；

13、隧道位移围岩分级；人工智能专家系统围岩分级等。,4.4 围岩压力,4.4.1 岩体初始应力状态,自重应力构造应力地下水压力温度应力,原岩,毛洞,稳定洞室,开挖,支护,第4章 隧道围岩分级与围岩压力,一、围岩压力及其分类(一)围岩压力,围岩压力,地层对洞室的作用力,广义：包括有、无支护时的压力,狭义：仅指对支护的压力,第4章 隧道围岩分级与围岩压力,（二）围岩压力分类 1松动压力围岩变形过大，发生松动而形成的压力。2形变压力围岩变形在有限范围内而形成的压力。这是最重要的两种压力形态。,问题：1.这两种压力性质上有何不同？2.压力的性质与围岩稳定性有何关系？,第4章 隧道围岩分级与围岩压力,3膨胀

14、压力膨胀性岩层。4冲击压力明洞，落石；暗洞，坍方、岩爆。,第4章 隧道围岩分级与围岩压力,4.4.2 影响围岩压力的因素 地质因素 1.岩体初始应力状态 2.岩石力学性质 3.岩体结构面 4.地下水等 工程因素 1.施工方法 2.支护设置时间 3.支护本身刚度 4.隧道断面形状等,第4章 隧道围岩分级与围岩压力,1.围岩松动压力的形成 自然拱的概念：围岩的变形不能得到有效的控制，当变形超过一定限度后，围岩发生松动、坍落，最终在洞室上方形成拱形。(a)变形阶段；(b)松动阶段；(c)塌落阶段；(d)成拱阶段。,4.4.3 围岩松动压力的形成和确定方法,第4章 隧道围岩分级与围岩压力,自然拱,影响

15、自然拱的因素：隧道埋深成拱的必要条件 隧道断面形状和大小拱的范围 施工因素对围岩的扰动程度,第4章 隧道围岩分级与围岩压力,2、围岩压力的确定方法 直接量测法 理论估算法 统计法（经验法、工程类比法）,1)深埋隧道围岩松动压力的确定方法,(1)统计法我国隧规所推荐的方法,式中 围岩容重；hq坍落拱高度；s 围岩级别；w 宽度影响系数，由 w=1+i（B-5）计算：B 坑道宽度，当 B5m时，取 i=0.2，当 B5m时，取i=0.1。,第4章 隧道围岩分级与围岩压力,水平压力见表4-7：,表4-7围岩水平均布压力,第4章 隧道围岩分级与围岩压力,统计法公式的适用条件：H/B1.7，H为坑道的高

16、度；深埋隧道；不产生显著偏压力及膨胀力的一般围岩；采用矿山法施工。,第4章 隧道围岩分级与围岩压力,据统计，围岩垂直松动压力的分布可概括为4种，如图4-7。,图4-7 围岩竖向松动压力的分布图形,第4章 隧道围岩分级与围岩压力,统计法公式仅针对图中第一种情况。,(2)普氏理论 散粒体理论：岩体被节理、裂隙所切割，视为散粒体。普氏系数f(岩体坚固性系数):,第4章 隧道围岩分级与围岩压力,岩体坚固性系数 f 的概念：f是一个以岩体强度为主的指标，兼顾抗钻性、抗爆性、地下水等性质。,第4章 隧道围岩分级与围岩压力,前述自然拱概念最早由普氏提出：,图4-8 自然拱的两种形态,坚硬岩体:松散破碎岩体：

17、,式中 为隧道净跨度的一半；为隧道净高度。,第4章 隧道围岩分级与围岩压力,一般来说，普氏理论比较适用于松散、破碎的围岩中。,(3)泰沙基理论理论：散粒体理论。,第4章 隧道围岩分级与围岩压力,假定：破裂面为折线OAB方法：研究微分条带dh的平衡。步骤：1.V=0，建立微分方程2.边界条件：,第4章 隧道围岩分级与围岩压力,3.解微分方程，得：4.讨论：当埋深h 达到一定程度时，为恒值：取侧压力系数k=1，则有：与普氏法对照，能发现什么？,2)浅埋隧道围岩松动压力的确定方法 深、浅埋隧道的判定原则,第4章 隧道围岩分级与围岩压力,Hp（22.5）hq,I一III级围岩取:Hp2hq IVVI级

18、围岩取:Hp2.5hq,HHp时为深埋HHp时为浅埋H 为覆盖层厚度,(2)浅埋隧道围岩松动压力的确定方法,土柱法 要点：忽略滑动面上的阻力。适于：埋深 H hq 垂直压力：q=H 水平压力按朗金公式：e=(H+1/2 Ht)tg2(450/2)Ht 为隧道净高。,第4章 隧道围岩分级与围岩压力,一院法 重点：当Hhq 时，应该考虑滑动面上的阻力。分析下图：,第4章 隧道围岩分级与围岩压力,1.破裂面AC、BD 2.矩形EFHG下沉 带动三棱体ACE和BDF下滑 整个岩体ABDHGC下滑 受阻于未扰动岩体 3.作用力有：矩形EFHGW1；三棱体ACE,BDFW2；三棱体与岩体EFDC之间的摩阻

19、力T=T1+T2；阻力N。按力的平衡条件，作用在支护结构上的垂直压力为：式中只有T1是未知，可求得：式中 侧压力系数。于是，P可求出。,讨论：的求解 P与T的关系，及其求解,4.4.5 明洞压力的计算 设计明洞时，其荷载要按以下几项计算 1.拱圈回填土垂直压力 2.拱圈回填土石侧压力 3.边墙回填土垂直压力,4.4.6 围岩应力的现场量测 直接量测 间接量测,第4章 隧道围岩分级与围岩压力,第4章 隧道围岩分级与围岩压力,第4章 隧道围岩分级与围岩压力,第4章 隧道围岩分级与围岩压力,第4章 隧道围岩分级与围岩压力,思考题：1.试说明影响围岩稳定性的主要因素有哪些？在进行围岩分类时主要考虑什么因素？我国交通隧道围岩分类对这些因素是如何处理的？2.某隧道埋深为30m，围岩为级，净宽为12m，净高为10m，围岩天然容重20KN/m3，试计算该隧道围岩压力？,第4章 隧道围岩分级与围岩压力,